前 言

在很多應用場景下可能需要使用段碼式液晶顯示屏LCD，如：家用電器、工業設備、儀器儀表、樓宇自動化設備、醫用儀器、穿戴設備等等。這不僅是因為段碼式液晶顯示屏LCD具有顯示美觀、成本優勢、功耗低等優點，而且現在很多MCU都集成了LCD驅動模塊，使得開發變得更容易。根據不同電壓、段位數、A/B驅動波形等廣泛應用的需求，瑞薩集成了LCD驅動模塊，不同系列的MCU可使用該模塊從而匹配其應用。

一、段碼式液晶顯示屏LCD結構和顯示原理

段碼式液晶顯示屏LCD內部晶體在靜電場的功效下，晶體的排列方向會發生偏轉，因而改變其透光性，從而可以看到顯示的內容。LCD有一個偏轉閥值，當LCD兩端的電壓高于該閥值時，則顯示內容；而低于該閥值時，則不顯示。

一般段碼式液晶顯示屏LCD有三個主要參數：工作中電壓、Duty（相匹配COM數）和BIAS（偏壓，相匹配閥值），例如，3.0V、1/4Duty、1/3BIAS表明LCD的工作中電壓為3.0V，有4個COM，閥值大概是1.1V（3.0/3=1.0）。

當加在某段LCD兩端的電壓大于1.0V時顯示，反之，不顯示。但是，LCD對于驅動電壓的反應不是很明顯，例如加1.0V電壓的時候，可能會微弱顯示，這就是通常說的“鬼影”。因此，要保證驅動LCD顯示的時候，加在LCD兩端的電壓要比閥值電壓大得比較多，而不顯示的時候，則要比閥值電壓小得比較多。

需要注意的是，LCD的兩端是不能加直流電壓的，否則時間稍長會危害段碼式液晶顯示屏LCD晶體分子結構的電化學特點，造成顯示實際效果模糊不清，使用期限降低的不良影響，其毀滅性不能修復，這就要求保證加在LCD兩端的驅動電壓的平均電壓為0。所以，LCD使用分割掃描法，在任何時候只有一個COM掃描有效，其余的COM處于無效狀態。

一個好的段碼式液晶顯示屏LCD控制器/驅動器，應該滿足：

能提供不同數量的COM、Duty（相匹配COM數）和BIAS（偏壓，相匹配閥值），滿足不同規格LCD屏的驅動

能夠提供多種分壓方式，提供內部分壓，減少外圍電路分壓的元器件

能夠提供內部Boost升壓，滿足一些電池供電，電池電壓下降時，亮度還可以保持

能夠提供內部基準電壓穩壓，避免分壓不準導致顯示出現“鬼影”

能夠提供多個不同的基準電壓選擇，可以調整對比度

能夠提供多種不同分割掃描法、驅動波形，滿足靈活選擇

能夠不同的時鐘源和不同分割掃描幀率的選擇，滿足不同應用低功耗的要求

瑞薩MCU內置的LCD控制器/驅動器不但滿足上面的規格，而且還提供其他優點功能：

提供不同的時鐘源選擇，可選擇外部副時鐘32.768KHz，也可選擇MCU內部低速或高速時鐘

提供顯示數據寄存器，能通過自動讀取顯示數據寄存器進行段信號SEG和公共信號COM的自動輸出

提供時間間隔閃爍功能，方便易用

二、瑞薩MCU內置的LCD控制器/驅動器

1、LCD控制器/驅動器框圖

圖1為集成到瑞薩自有16bits RL78系列核MCU中的LCD控制器/驅動器，圖2集成瑞薩32bits RA4M1系列Arm核MCU中的LCD控制器/驅動器，兩者主要區別是LCD控制器/驅動器的工作時鐘選擇不同，RA4M1系列還可支持選擇內部高速時鐘。

圖1 R7F0C001/R7F0C002/L12/L13/L1A/L1C LCD控制器/驅動器
圖2 RA4M1 LCD控制器/驅動器

①外圍允許寄存器0（PER0）：在將副系統時鐘（fSUB）用于LCD控制器/驅動器時設定。

②LCD模式寄存器0（LCDM0）：LCD驅動電壓生成電路、顯示波形（A/B）和顯示的時間片DUTY的選擇。

③LCD模式寄存器1（LCDM1）：此寄存器允許或者禁止顯示運行，允許或者停止升壓電路和電容分割電路的運行以及設定顯示數據區和低電壓模式。

④運行速度模式控制寄存器（OSMC）：通過停止不需要的時鐘功能來降低功耗。

⑤LCD時鐘控制寄存器0（LCDC0）：設定LCD源時鐘和LCD時鐘的寄存器，通過LCD時鐘和時間片決定幀頻。

⑥記憶性液晶控制寄存器（MLCD）：控制記憶性液晶波形。

⑦LCD升壓電平控制寄存器（VLCD）：能從升壓電路運行時生成的16種基準電壓（調整對比度）中選擇。

⑧LCD輸入切換控制寄存器（ISCLCD）：設定CAPL/P126、CAPH/P127、VL3/P125引腳作為LCD功能運行的期間防止貫通電流的流入。

2、LCD控制器/驅動器的驅動波形

驅動波形包括COM端口波形、SEG端口波形、COM和SEG之間電壓差波形，當各畫素對應的COM和SEG的電位差高于一定電壓（LCD驅動電壓VLCD，也就是閥值電壓）時，LCD顯示屏的各畫素就點燈。如果電位差低于VLCD，各畫素就熄燈。

COM端口波形

根據設定的時間片，如表所示的順序為公共信號的選擇時序，并且以其為一個周期進行重復運行。在靜態模式的情況下，COM0～COM3輸出相同的信號。

SEG端口波形

SEG信號對應LCD顯示數據寄存器，在8個時間片方式的情況下，各顯示數據寄存器的bit0～bit7對應COM0～COM7。與公共信號輸出的各時序同步，讀數據存儲器的數據。如果各位的內容為“1”，就在轉換為選擇電壓后輸出到段引腳（SEG4～SEG38）。如果各位的內容為“0”，就在轉換為非選擇電壓后輸出到段引腳（SEG4～SEG38）。

在不是8個時間片方式的情況下，在A圖形區中各顯示數據寄存器的bit0～bit3對應COM0～COM3，在B圖形區中各顯示數據寄存器的bit4～bit7對應COM0～COM3。與公共信號輸出的各時序同步，讀數據存儲器的數據。如果各位的內容為“1”，就在轉換為選擇電壓后輸出到段引腳（SEG0～SEG38）。如果各位的內容為“0”，就在轉換為非選擇電壓后輸出到段引腳（SEG0～SEG38）。

因此，必須先確認LCD顯示數據寄存器使用的LCD顯示屏的前面電極（對應SEG信號）和背面電極（對應COM信號）是如何組合形成顯示圖形的，然后給顯示數據寄存器寫與顯示圖形一一對應的位數據。

COM信號和SEG信號的輸出波形

公共信號COM和段信號SEG輸出的電壓如表（a）-（d）所示。只有在公共信號COM和段信號SEG都為選擇電壓時才為±VLCD的點燈電壓（選擇），在其他組合時為熄燈電壓（非選擇）。

靜態顯示模式時，公共信號COM的輸出波形，在LCD時鐘屬于的1個周期T（選擇或非選擇），前T/2輸出VL4分壓電平，后T/2輸出Vss電平；段信號SEG的輸出波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出Vss分壓電平，后T/2輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL4分壓電平，后T/2輸出Vss電平。

1/2偏壓時，公共信號COM的輸出波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL4分壓電平，后T/2輸出Vss電平，屬于非選擇時的1個周期T，輸出VL2電平；段信號SEG的輸出波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出Vss分壓電平，后T/2輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL4分壓電平，后T/2輸出Vss電平。

1/3偏壓時，公共信號COM的輸出A波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL4分壓電平，后T/2輸出Vss電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL1分壓電平，后T/2輸出VL2電平；段信號SEG的輸出A波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出Vss分壓電平，后T/2輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL2分壓電平，后T/2輸出VL1電平。

1/3偏壓時，公共信號COM的輸出B波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出VL4分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出Vss電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出VL1分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL2電平；段信號SEG的輸出B波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出Vss分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）出VL2分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL1電平。

1/4偏壓時，公共信號COM的輸出A波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL4壓電平，后T/2輸出Vss電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL1分壓電平，后T/2輸出VL2電平；段信號SEG的輸出A波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2輸出Vss分壓電平，后T/2輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2輸出VL2分壓電平，后T/2輸出VL2電平。

1/4偏壓時，公共信號COM的輸出B波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出VL4分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出Vss電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2(在前半幀Tf/2)輸出VL1分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL3平；段信號SEG的輸出B波形，在LCD時鐘屬于選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出Vss分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL4電平，屬于非選擇時的1個周期T，前T/2（在前半幀Tf/2）輸出VL2分壓電平，后T/2（在后半幀Tf/2）輸出VL2電平。

COM信號和SEG信號的輸出波形實例

在此例子，以第7位的進行說明。需要根據顯示圖形并且通過COM0～COM3的各公共信號的時序，將表所示的選擇電壓和非選擇電壓輸出到SEG12引腳和SEG13引腳。

因此，給SEG12對應的顯示數據寄存器（地址F040CH）準備“1101”即可。SEG12和各公共信號之間的LCD驅動波形例子如下圖所示。在選擇COM0時SEG12為選擇電壓，就知道LCD點燈電平+VLCD/–VLCD的交流矩形波的產生。

SEG12和各公共信號之間的4個時間片的LCD驅動A波形例子（1/3偏壓法）
SEG12和各公共信號之間的4個時間片的LCD驅動B波形例子（1/3偏壓法）

3、LCD控制器/驅動器的驅動電壓

LCD驅動電壓VL1、VL2、VL3、VL4的提供，分為內部升壓、電容分割和外部電阻分割。

內部升壓

如R7F0C001G/L、R7F0C002G/L內置用于LCD驅動電源的內部升壓電路。通過外接內部升壓電路的電容器（0.47μF ±30%），生成LCD驅動電壓。內部升壓方式只能使用1/3偏壓法或者1/4偏壓法。

內部升壓方式的LCD驅動電壓和器件本身不是同一個電源，因此與VDD的變化無關，能提供固定的電壓。

能通過設定LCD升壓控制寄存器（VLCD）來調整對比度。

電容分割

如R7F0C001G/L、R7F0C002G/L內置用于驅動電源的電容分割電路。通過外接電容分割電路的電容器（0.47μF ±30%），生成LCD驅動電壓。電容分割方式只能使用1/3偏壓法。和外部電阻分割方式不同，電容分割方式沒有電流流過，因此能減小消費電流。

外部電阻分割方式

4、LCD控制器/驅動器時鐘控制

5、LCD控制器/驅動器的數據驅動顯示

能從升壓電路運行時生成的16種基準電壓（調整對比度）中選擇。

6、LCD控制器/驅動器的數據驅動顯示

當用于靜態、2個時間片、3個時間片或者4個時間片時，如R7F0C001G/L、R7F0C002G/L能通過設定BLON位和LCDSEL位，從以下3種選擇LCD顯示數據寄存器：

A圖形區（LCD顯示數據寄存器的低4位）的數據顯示

B圖形區（LCD顯示數據寄存器的高4位）的數據顯示

交替顯示A圖形區和B圖形區的數據（實時計數器（RTC）的固定周期中斷時序對應的閃爍顯示）

注意在使用8個時間片時，不能選擇LCD顯示數據寄存器（A圖形、B圖形或者閃爍顯示）。

閃爍顯示（A圖形區和B圖形區的數據的交替顯示）R7F0C001G/L，R7F0C002G/L例子。

當BLON位為“1”時，對應實時計數器（RTC）的固定周期中斷（INTRTC）時序，進行A圖形區和B圖形區的數據交替顯示。當LCD閃爍顯示時，必須給與A圖形區的位對應的B圖形區的位設定反相值（ex. 將F0400H的bit0置“1”，在閃爍顯示時將F0400H的bit4置“0”）；當LCD不閃爍顯示時，必須設定相同值（ex. 將F0402H的bit2置“1”，在點燈顯示時將F0402H的bit6置“1”）。

顯示的切換時序如下所示。

三、瑞薩MCU內置LCD控制器/驅動器的驅動工作模式待機功耗實測

四、瑞薩內置LCD控制器/驅動器的MCU系列

來源：瑞薩MCU小百科

審核編輯：湯梓紅